[發(fā)明專利]一種基于約束投影的GPU并行試衣仿真方法

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• 申請日: 2021-02-19
• 公開（公告）號: CN112862957A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊若瑜;劉科翰
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T17/20;G06T19/00;G06T1/20
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 于瀚文;胡建華

本發(fā)明提供了一種基于約束投影的GPU并行試衣仿真方法，通過Morton碼對人體模型并行構(gòu)建二叉基數(shù)樹形成BVH，每次碰撞檢測時(shí)直接用衣物頂點(diǎn)遍歷BVH進(jìn)行測試；衣物仿真利用Galerkin多重網(wǎng)格法加速基于速度求解的Projective Dynamics方法，對衣物頂點(diǎn)采用線性蒙皮坐標(biāo)對衣物頂點(diǎn)進(jìn)行自由度擴(kuò)充，在每一幀迭代的局部求解中，對衣物頂點(diǎn)施加各種幾何約束投影，并對與人體碰撞的衣物頂點(diǎn)進(jìn)行Signorini?Coulomb約束的投影，進(jìn)而在不改變?nèi)智蠼庵械南到y(tǒng)矩陣的情況下，僅通過局部求解迭代中的約束投影實(shí)現(xiàn)對試衣中衣物的碰撞響應(yīng)與摩擦物理效果的仿真控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域與物理仿真領(lǐng)域，尤其涉及一種基于約束投影的GPU(Graphic Processing Unit，圖形處理器)并行試衣仿真方法。

背景技術(shù)

用計(jì)算機(jī)仿真試衣中的人衣交互具有廣泛的應(yīng)用場景，如虛擬試衣、游戲場景、VR應(yīng)用等，人衣交互主要涉及到衣物的仿真以及衣物人體碰撞檢測與響應(yīng)兩個方面的技術(shù)問題，基于物理的方法對該場景進(jìn)行仿真是目前主流的方法，而該方法的核心就是求解牛頓力學(xué)指導(dǎo)下的運(yùn)動方程。

目前主流的關(guān)于衣物的物理仿真的方法主要包含以下兩類：

一、基于力學(xué)的仿真方法：該方法直接利用牛頓第二定律的相關(guān)公式作為系統(tǒng)數(shù)值積分求解的目標(biāo)方程，常見的模型有質(zhì)點(diǎn)彈簧模型。

二、基于能量優(yōu)化的仿真方法：該方法通過將隱式歐拉積分重新進(jìn)行構(gòu)造，得到一個優(yōu)化問題，通過求解一個能量最小化問題來得到系統(tǒng)在對應(yīng)時(shí)間步的關(guān)于慣性勢能和彈性勢能之間的穩(wěn)態(tài)位置。基于位置的動力學(xué)方法(PBD\XPBD)、基于投影的動力學(xué)方法(Projective Dynamics)、基于交替方向乘子的方法(ADMM)等方法都屬于該方法的范疇。

衣物和人體的碰撞檢測和響應(yīng)是仿真出合理的試衣效果必不可少的步驟，目前碰撞檢測通用的方法是對場景中的物體分別構(gòu)建BVH(Bounding volume hierarchy，層次包圍盒)，然后通過遍歷BVH進(jìn)行碰撞檢測。而碰撞響應(yīng)方法主要包含兩類：

一、離散碰撞響應(yīng)，離散碰撞響應(yīng)僅僅基于當(dāng)前的狀態(tài)，不需要額外的歷史信息。距離場方法、相交輪廓最小化方法等方法都屬于離散碰撞響應(yīng)的范疇。

二、連續(xù)碰撞響應(yīng)，連續(xù)碰撞響應(yīng)需要上一時(shí)刻無碰撞的歷史狀態(tài)作為輸入進(jìn)行參考。排斥力沖量法、碰撞區(qū)法等方法都屬于連續(xù)碰撞響應(yīng)的范疇。

目前關(guān)于試衣的物理仿真方法的實(shí)現(xiàn)，基于CPU(Central Processing Unit，中央處理器)的實(shí)現(xiàn)往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)時(shí)仿真的要求。隨著顯卡的廣泛應(yīng)用，并行計(jì)算的應(yīng)用普及，為基于GPU的試衣仿真得到實(shí)時(shí)的仿真結(jié)果提供了可能。

對于衣物的物理仿真的方法中，1)基于力學(xué)的仿真方法；2)基于能量優(yōu)化的仿真方法。方法1較為簡單，但是在仿真的穩(wěn)定性以及仿真物理效果的可擴(kuò)展性較弱；方法2是目前業(yè)界采用的方法，可擴(kuò)展性強(qiáng)，但目前對實(shí)時(shí)人衣交互中如人衣摩擦、衣物材質(zhì)等物理效果的仿真探索缺少GPU實(shí)現(xiàn)上的擴(kuò)展。

人衣之間碰撞檢測和碰撞響應(yīng)是人衣交互中限制仿真速度提升的最大瓶頸，在每一個時(shí)間步中對變化的人體與衣物重新構(gòu)建BVH并進(jìn)行碰撞檢測、響應(yīng)時(shí)間開銷很大。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明主要針對當(dāng)前計(jì)算機(jī)對3D(三維)試衣仿真中對衣物人體之間交互缺乏物理效果仿真的問題，提供一種基于約束投影的GPU并行試衣仿真方法，包括如下步驟：